珠江三角洲海岸線遙感調查和近期演變分析

朱俊鳳，王耿明，張金蘭，黃鐵蘭

(1.廣東省地質調查院，廣州 510080;2.廣東工貿職業技術學院，廣州 510510)

0 引言

海岸帶是響應全球氣候變化最迅速，隨生態環境變化最敏感、最脆弱的地帶，海岸線的侵蝕與增長已成為全世界廣為關注的問題之一［1］。快速而準確地測定海岸線，對海岸資源管理、開發，以及為決策部門提供動態、科學、及時有效的信息都具有十分重要的意義。衛星遙感具有數據獲取方便、重復觀測時間短、覆蓋面廣等優點，在海岸線調查和動態監測方面具有無可比擬的優勢，已成為海岸線調查與監測的主要技術手段［2－4］。

珠江三角洲是我國沿海經濟最發達的地區之一，也是海岸線變遷最活躍的地區之一。很多學者應用遙感技術監測和分析了珠江三角洲部分海岸線的變遷:如，朱小鴿［5］應用1973，1992 和1998年遙感數據，采用神經網絡分類方法監測了珠江口、香港和澳門地區海岸線的變化;李學杰［6］應用1979—2003年間遙感數據提取了珠江口伶仃洋的多時相海岸線，并分析了海岸線的變化特征及環境效應;于杰等［7］利用衛星遙感數據提取并研究了大亞灣海岸線1987—2005年間的變化特征;李猷等［8］分析了深圳市1978—2005年間海岸線的動態演變;趙玉靈［9］利用遙感數據分析了珠江口地區1978—2006年間海岸線和紅樹林的變遷。但已有文獻對近期珠江三角洲海岸線變遷的研究較少，且主要集中于部分海岸線的研究，缺少對整個珠江三角洲較為完整的研究。“十一五”期間，廣東省改革開放和現代化建設取得了重大成就，一批重大工程項目(如南沙開發、珠海港口建設、深圳港口建設和大亞灣石化城等)的建設必然會使海岸線發生變化。因此，本文利用1998，2003 和2008年3個時段的遙感數據，以整個珠江三角洲為研究區域，提取3個時段的海岸線，并對海岸線提取結果進行近期演變分析。

1 研究區概況和數據源

1.1 研究區概況

珠江三角洲是中國南部沿海地區的一個發展程度較高的經濟區域，地理上以香港、澳門和廣州為中心。由包括珠江三角洲區域的2個省級特別行政區(香港、澳門)、廣東省的2個副省級市(廣州市和深圳市)及7個地級市(珠海市、佛山市、惠州市、肇慶市、江門市、中山市和東莞市)所組成(圖1)。珠江三角洲海岸帶的地理范圍在E112°18'08″～115°01'19″，N 21°42'31″～22°42'23 之間。受地質構造的影響，其地形、地貌呈高地低地相間分布的格局。山地、丘陵和平原交錯分布于海濱，形成海岸線曲折、港灣眾多、島嶼星羅棋布的地貌特色。珠江三角洲海岸線(不包括香港)類型復雜多樣，主要有河口岸、人工岸、基巖岸和沙礫質岸等。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographic location of study area

1.2 數據的選擇與處理

本文收集了1998，2003 和2008年3個時段的遙感數據，其中1998 和2003年的數據為Landsat TM 或ETM 數據，2008年的數據為ALOS AVNIR－2多光譜數據，TM 和AVNIR－2 數據空間分辨率分別為30 m 和10 m。此外還收集了1∶5 萬地形圖數據和少量海圖數據。

對遙感數據的預處理主要包括幾何糾正、圖像鑲嵌和裁剪。在PCI 軟件平臺上，以1∶5 萬比例尺地形圖作為參考選擇控制點，采用二次多項式法進行幾何糾正。具體處理過程是首先糾正AVNIR－2數據，然后將2 期TM 圖像與之配準，并對相鄰圖像進行鑲嵌，最后裁剪出研究區域海岸線范圍。

海岸線提取在原始圖像(而非鑲嵌圖像)上進行，其原因是圖像鑲嵌過程中要考慮相鄰圖像的色調均衡，會損失原始圖像的光譜信息，不利于海岸線的自動提取。

2 遙感調查方法

本文采用計算機自動提取和目視解譯相結合的方法提取海岸線。首先針對不同的海岸類型，采用不同的圖像處理方法進行海岸線的初步解譯;然后在ArcGIS 平臺上將海岸線初步解譯結果、遙感圖像、已有地形圖和海圖進行空間疊加、綜合分析與判別，并對初步解譯結果進行修改，對解譯的重點和難點地區進行必要的野外調查驗證。鑒于衛星過頂時刻拍攝的水陸分界線沒有考慮到海水懸浮泥沙、潮位和季節等因素的影響，因此圖像上顯示的瞬時水邊線不是真正意義的海岸線［10］。故本文采用平均大潮高潮位時刻的海陸分界線作為要提取的海岸線。

2.1 解譯標志的建立

根據研究區海岸實際情況，將海岸分為河口岸、基巖岸、人工岸、沙礫質岸、淤泥質岸和紅樹林岸共6 類。各類型海岸線的影像及其特征見表1。

2.2 海岸線的提取

以2008年ALOS 圖像為例，闡述各類岸線的提取過程如下:

1)河口岸線的提取。河口岸以潮流界為限，解譯時多參考已有海岸線。

2)基巖岸線的提取。基巖岸的水陸分界線基本上代表著海岸線［11］。選取近紅外波段遙感圖像提取基巖海岸線。首先，確定合適的閾值對圖像進行二值化，將海水和陸地分開;然后采用濾波算法對二值圖像進行邊緣增強;最后再對邊緣增強圖像二值化并將柵格數據轉化為矢量數據，得到海岸線的提取結果。閾值的確定借助了ENVI 的水平剖面(即X 剖面)工具，即將圖像定位于海陸分界處，利用X 剖面工具查看該水平線上的DN 值變化，從而確定合適的閾值;采用ENVI 軟件中的Laplacian 算子進行二值圖像的濾波增強，濾波核為3 像元×3 像元。基巖海岸的提取過程如圖2所示。

圖2 基巖岸線的自動提取效果Fig.2 Automatic extraction of rocky coastline

3)人工岸線的提取。人工岸的構筑物大都由水泥和石塊構筑，具有較高的光譜反射率，和海水的分界線明顯，人工岸線就是海岸線。人工岸線的提取過程和基巖岸線的提取過程相似，也采用近紅外波段遙感圖像進行。人工岸線的提取過程如圖3所示。

圖3 人工岸線的自動提取效果Fig.3 Automatic extraction of artificial coastline

由于人工海岸的堤壩有一定的寬度，因此二值圖像濾波增強后的邊緣有2 條線，取靠近海一側的線為最終海岸線［12］。本文把人工養殖岸劃分為人工岸。

4)沙礫質岸線的提取。沙礫質岸是沙礫在海浪作用下堆積形成的，因此可以把沙礫質海岸和非沙礫質地物的分界線作為海岸線［13］。沙礫在紅波段有比較高的反射率，因此選擇紅波段圖像提取沙礫質海岸線。首先用分割閾值區分沙礫和其他地物，得到二值圖像;再對二值圖像進行Laplacian 濾波增強，得到沙礫質岸界線;最后取靠陸地一側的分界線作為沙礫質海岸線(圖4)。

圖4 沙礫質岸線的自動提取效果Fig.4 Automatic extraction of sandy and gravel coastline

5)淤泥質岸線和紅樹林岸線的提取。淤泥質岸以陸地植物生長邊緣或公路作為海岸界線［14］。紅樹林岸以靠陸一側的堤壩或道路作為海岸界線，采用目視解譯方法提取。本文提取的紅樹林岸不包括沿海島嶼上的紅樹林岸，如淇澳島上的紅樹林岸等。

2.3 海岸線提取結果

應用上述方法，依次提取1998，2003 和2008年海岸線，其結果如圖5 所示。圖中海岸線的疊放順序為以老蓋新，以便直觀地反映海岸線的演變［9］。

圖5 海岸線提取結果Fig.5 Map of coastlines extracted

從圖5 可以看出，在研究時段內，珠江三角洲岸線變化主要分布于珠江口兩岸的廣州南沙區、深圳機場，珠海唐家灣、高欄港，黃茅海兩岸的臺山市都斛鎮和珠海金灣區，深圳蛇口半島地區和惠州市大亞灣石化工業區等處。

2.4 提取精度檢驗

在原始圖像上隨機選取海岸線點，通過查看Google Earth 上對應位置的高分辨率遙感圖像(部分解譯的重點、難點區段請有經驗的遙感專家進行解譯)，在各時段圖像上每種海岸類型選取30個像元點進行檢驗。結果表明，基巖岸有個別錯分為沙礫質岸，人工岸中的養殖岸線有個別錯分為淤泥質岸，但總體精度高于90%;河口岸由于解譯時參考了已有海岸線，提取的總體精度高于85%;沙礫質岸和淤泥質岸有部分相互錯分，淤泥質岸有個別錯分為紅樹林岸總體精度大于80%;紅樹林岸有個別錯分為淤泥質岸，總體精度優于85%。因此，本文提取的海岸線類型總體上準確可靠。

3 海岸線演變分析

3.1 海岸線長度變化分析

各時段不同類型海岸線長度及其占珠江三角洲海岸線長度統計結果見表2。

從表2 可以看出，在研究時段內，珠江三角洲海岸線長度在1998—2003年間幾乎沒有多大變化，而在2003—2008年間岸線增加較多。從海岸類型來看，人工岸比例最高(達50%以上)，其次是基巖岸、河口岸、沙礫質岸和淤泥質岸，紅樹林岸所占比例最低;從變化幅度來看，人工岸、沙礫質岸和淤泥質岸變化較大，基巖岸變化較小，而河口岸和紅樹林岸幾乎沒有變化;從變化趨勢來看，人工岸逐漸增加，沙礫質岸和淤泥質岸持續減少。

表2 各類海岸線長度統計Tab.2 Statistics of coastline length (km)

3.2 典型岸段演變分析

在研究時段內，珠江三角洲海岸線以向海延伸為主，總體表現為海岸工程建設、灘涂圍墾、圍海造地和人工養殖等。本文選取6個有代表性的岸段進行演變分析，詳細闡述珠江三角洲海岸線的演變特點、規律和趨勢。

3.2.1 南沙開發區岸線

南沙開發區岸線對應于圖5 中“1”標注的位置。3個時段的影像如圖6 所示。

圖6 南沙開發區岸線Fig.6 Coastline of Nansha development district

該區屬于廣州南沙經濟技術開發區，是廣州近年來投資開發的重點地區，位于珠江入海口，懸浮泥沙含量較高，是出海口泥沙的主要沉積區［15－17］。河口淤積是該區海岸線變遷的主要自然因素，而人工圍海造地則是該區海岸線變遷的主要原因。1998—2008年，橫門島南側向東圍海，萬頃沙島沒有繼續向海延伸。龍穴島主要規劃發展現代物流業，因此近期將進行港口、碼頭建設。1998年龍穴島開始填海，2003年填海面積擴大，2008年南部新增填海區，海岸線向南延伸。該區海岸線雖然進一步向海延伸，但相比1978—1998年的海岸線變化，幅度有所下降，海岸線向海延伸速率有所放慢［6，9］。

3.2.2 珠海唐家灣岸線

珠海唐家灣岸線對應于圖5 中“2”標注的位置。3個時段的影像如圖7 所示。

圖7 珠海唐家灣岸線Fig.7 Coastline of Tangjiawan in Pearl River City

該區位于珠海市唐家灣地區，2007年9月，《珠海市唐家灣分區規劃》明確提出將進行填海建設，城市建設面積增加22 km2。從圖7 可以看出，1998—2003年金星港圍海養殖，海岸線向海延伸，唐家灣地區南面海灣處開始填海;2003—2008年唐家灣南面海灣處繼續填海，東部也開始向東南方向填海。1998—2008年總的填海面積約3.5 km2。唐家灣地區填海還將繼續，未來填海區為金星港圍海養殖區。

3.2.3 珠海高欄港岸線

珠海高欄港岸線對應于圖5 中“3”標注的位置。3個時段的影像如圖8 所示。

圖8 珠海高欄港岸線Fig.8 Coastline of Gaolan port in Pearl River City

該區屬于珠海市高欄港經濟區，規劃建設成為現代化港口新區。1998年高欄港還未開工建設，珠海港西北方向為灘涂區;2003年高欄港開始圍海造地，高欄島西面開始工程建設，珠海港西北方向灘涂區被圍墾為養殖區;2008年高欄港大面積圍海造地，整個高欄港灣有合圍之勢，珠海港也進一步擴建，高欄島西面開始圍海造地。未來高欄港、珠海港和高欄島將會進一步圍海造地。

3.2.4 臺山黃茅海岸線

臺山黃茅海岸線對應于圖5 中“4”標注的位置。3個時段的影像如圖9 所示。

圖9 臺山黃茅海岸線Fig.9 Coastline of Huangmaohai in Taishan City

該區位于珠江入海口的崖門和虎跳門的西側，面向黃茅海，海岸類型為淤泥質海岸，海岸線變遷主要是灘涂圍墾和人工養殖，表現為不斷向海一側延伸擴展趨勢。

3.2.5 深圳蛇口半島岸線

深圳蛇口半島岸線對應于圖5 中“5”標注的位置，3個時段的影像如圖10 所示。

圖10 深圳蛇口半島岸線Fig.10 Coastline of Shekou in Shenzhen City

該區為深圳蛇口半島地區，是深圳重要的加工和貿易區。1998—2003年前海的養殖岸線向海延伸，后海開始填海造陸。2003—2008年前海人工養殖區被填，且海灣南、北兩端向中間填充，未來整個海灣將被合圍，海岸線也將被裁彎取直;媽灣也有工程建設，海岸線向西南方向延伸;赤灣繼續向海延伸;后海完成填海。但1998—2008年蛇口港變化不大。

3.2.6 惠州大亞灣岸線

惠州大亞灣岸線對應于圖5 中“6”標注的相應位置。3個時段的影像如圖11 所示。

圖11 惠州大亞灣岸線Fig.11 Coastline of Dayawan in Huizhou city

該區為惠州大亞灣石化工業區，是惠州市“十一五”重點發展的石化工業基地。1998 和2003年大亞灣海岸還是淤泥質岸，但2003年靠近海岸區域已有工程建設，到2008年工程建設已初具規模，海岸線向海最大延伸1 300 m。

從以上典型岸線的海岸線演變可以看出，珠江三角洲海岸線變遷的主要驅動因素是人為造地。

4 結論與展望

4.1 結論

1)根據海岸類型特點，建立遙感解譯標志，采用人工目視解譯和計算機自動提取相結合方法，得到了3個時段的海岸線，各類海岸線提取的總體精度優于80%，結果較為準確、可靠。

2)珠江三角洲海岸線在1998—2003年間幾乎沒有多大變化，而2003—2008年間岸線增加較多，主要是人工岸的增加。

3)在珠江三角洲海岸線類型中，人工岸所占比例最高(達50%以上)，其次是基巖岸、河口岸、沙礫質岸和淤泥質岸，紅樹林岸占比例最低。

4)珠江三角洲海岸線以向海延伸為主，總體表現為海岸工程建設、灘涂圍墾、圍海造地、人工養殖等。人為造地是海岸線變遷的主要驅動因素。

4.2 展望

1)受遙感數據空間分辨率(10 m 和30 m)的限制，本文所提取的海岸線還存在一定的誤差，但用于分析整個珠江三角洲岸線的變遷趨勢和規律是完全可行的。隨著SPOT5(2.5 m)，IKONOS(1 m)和QuickBird/WorldView(亞米級)等高空間分辨率遙感圖像的應用，利用遙感圖像提取海岸線的精度將會大大提高。同時，隨著遙感圖像處理算法的不斷發展，也會有新的海岸線提取方法，如元胞自動機方法［18］、岸線追蹤［19］、幾何活動輪廓模型［20］等。

2)大量的圍海造地和工程建設必然會對沿海環境帶來影響，如海水污染、河口區河道延長和變窄帶來的排洪不暢、洪澇等。未來將進一步研究海岸線變遷帶來的環境問題以及可能的解決方案，加強環境保護，走社會經濟可持續發展之路［21－22］。

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